水利工程中钢板桩围堰设计与施工技术

罗 建

（重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆400020）

1 钢板桩围堰工艺简介

钢板桩实质上就是一种带锁的型钢。 按照横截面有U形桩、Z形桩和直线形桩（如图1）［1］。 尺寸与联锁的形式也各不相同。 钢板桩围堰由于防水特性优秀、防渗能力强、施工速度快，操作简便、适应性广，已在水利围堰施工中广为采用。 在一般桩基础工程的基坑施工中， 浅型基坑采用矩形和木制导向框架，深基坑则采用圆形和截面钢。 适合应用钢板桩围堰的环境是水深4m以下、河床为砂或砾石土、半干型土且厚度较大。 钢板桩围堰作为止水挡土结构，广泛应用于浅水地基工程、黏土、风化地层等基础工程中［2］。

图1 钢板桩类型

2 不同钢板桩支护结构的计算

2.1 悬臂式钢板桩计算

悬臂式钢板桩没有任何支撑，主要依靠入土深度来稳定桩身，通常用于支护深度较小的建设工程［3］。悬臂式钢板桩的支护结构计算主要包括入土深度和最大弯矩的计算，通常按以下步骤进行，如图2。

图2 悬臂式钢板桩受力分析

（1）假设净主动土（acd）对钢板桩的矢量力为Ea，净被动土（def） 对钢板桩的矢量力为Ep，同时对e点取力矩，距离分别为Ha和Hp，要求抵抗力矩是倾覆力矩的2倍，初步计算出钢板桩的入土深度t1。

（2） 规定钢板桩实际入土深度t在试算深度t1基础上增加15%，确保桩基稳定。

（3）当钢板桩入土深度为t2时对应点设为g点，在g点的净主动土压力等于净被动土压力。

（4）最大弯矩即为g点处净主动土与净被动土力矩之差。

2.2 单撑（单锚）钢板桩计算

假定上端为简支，下端为自由支承，如图3。

图3 土压力分布

钢板桩分别受净主动土压力Ea、净被动土压力Ep和支撑反力Ra， 钢板桩平衡时3个力对a点的合力矩为0，即ΣMa=0。

再由Σx=0，即可求得a点的支撑反力Ra

根据求得的入土深度t和支撑反力Ra， 可计算并绘出钢板桩的内力图，依此求得剪力为零的点，该点截面处的弯矩即为板桩最大弯矩Mmax，据此最大弯矩和钢板桩材料的允许应力选择板桩的截面。

2.3 多撑（多锚）式钢板桩计算

2.3.1 支撑（锚杆）的布置

等弯矩布置可将支撑布置成使板桩各跨度的最大弯矩相等，使钢板桩的抗弯强度得到充分发挥，同时也可以节省钢板桩材料的使用［3］，具体步骤为：

选取合适型号的钢板桩，计算其截面模量W。

计算钢板板桩悬臂部分最大跨度h。

式中 f为钢板桩抗弯强度；γ为土的重度；Ka为主动土压力系数。

计算钢板桩下部各层支撑支撑的间距， 把每跨度看作两端固定， 计算各支点最大弯矩都等于Mmax、Mmin时各跨的跨度，计算值如图4。

图4 支撑等弯矩布置

2.3.2 入土深度计算

（1）绘制钢板桩压力分布，如图5（a）。

（2）在钢板桩处存在一点，这点的净主动土压力等于净被动土压力，计算距开挖面的距离y值。

（3）假设af为多跨连续梁，按力矩分配原则计算各跨中和支点的弯矩，得出最大弯矩Mmax，从而可验算钢板桩的截面，求出各支点的反力（Rb，Rc，Rd，Rf）。

图5 多支撑板桩计算图

（4）Rf和墙前被动土压力对点O的力矩相等，从而可求得x值，而

所以钢板桩入土深度为：

3 钢板桩围堰施工

3.1 钢板桩围堰的施工准备

（1）对钢板桩进行规范分类，以保证钢板桩井然有序，例如在购买和生产钢板桩时，企业应对钢板桩按规范进行的类型和生产质量的验收， 以确保其满足施工需求，经严格检验后，技术人员对验收合格的产品进行分类、 对不合格的产品进行返工或返厂处理。

（2）对钢板桩的锁固进行认真验算。检定人员在对钢板桩进行检测的时候， 要严格按照国家规范要求和操作流程进行，一板一眼，不余漏洞，同时按照相应制度对钢板桩各个环节进行监督， 以保证钢板桩可满足施工要求。除此之外，还要对钢板桩的锁口进行重点检查，对不符合要求或变形的，维修人员将其与合格钢板桩分开放置。 这些不合格钢板桩可通过焊接进行处理。

（3） 在钢板桩使用过程中， 处于施工工艺的要求，有些钢板桩可能不符合实际施工需要，这里的使用需求只是指钢板桩外形尺寸的要求， 这时的处理方法是将钢板桩有效对接， 确保其整体尺寸可满足工艺要求。

（4）在围堰施工过程中，要预先6处板桩孔洞，以保护板桩，避免在施工过程中受力过大而变形。此外钢板桩还要采用其他措施提高性能， 例如采用旧棉絮和石灰对钢板桩进行封堵， 用以提升钢板桩的防渗水平。

3.2 钢板桩围堰施工技术

钢板桩围堰施工工艺主要包括插打钢板桩、围堰内清基、混凝土封底、设置内支撑等工序［4］。 具体工艺流程如图6。

图6 钢板桩围堰施工工艺

3.3 钢板桩的拔除

3.3.1 钢板桩拔出时阻力计算假设拔桩阻力为F，则：

式中 FE为钢板桩对土体的吸附力；FS为钢板桩的断面阻力。

钢板桩与土体的吸附力计算：

式中 f1，f2，…，fe为钢板桩在不同层的吸附力：

式中 U为钢板桩周长；L为钢板桩在各层土中的长度；τ为各层土体中静吸附力或动吸附力。

静吸附力FE也按式（10）计算：

式中 S为钢板桩对土体平均静吸附（kN/m2）；△Hi为钢板桩所在各层土体厚度（m）；Ci为钢板桩所在土层的黏着力（kN/m2）；qi为钢板桩所在土层中心点上的压力（kN/m2）；φi为钢板桩所在土层的内摩擦角（°）；K为土压力系数。 一般情况下，φi取土层抗剪内摩擦角的2/3～3/4，K为0.3～0.5。

3.3.2 拔桩方法［5］

3.3.2.1 静力拔桩

优点是设备简单只需要卷扬机或千斤顶， 成本较低；缺点是作业效率较低，有时不能将桩身拔出。

3.3.2.2 振动拔桩

通过相关机械震动，带动钢板桩一起震动，在这震动过程中将钢板桩拔出， 由于震动作用减少了桩身阻力，从而提高了拔桩的成功率。

3.3.2.3 冲击拔桩

利用蒸汽和空气大气压为原动力， 结合打桩机的原理，使得钢板桩收到向上的打击力，与此同时运用卷场机将桩身拔出。

3.3.2.4 液压拔桩

这种拔桩方法与液压静力沉桩相反， 以相邻桩身作为支撑获取拔桩力； 这种方法的优点是操作简单，缺点是施工速度慢。

4 钢板桩施工中常见的问题及处理方法

（1）当钢板桩位置遇到土层内有大石块无法进一步深入时，可使用角桩或弯桩绕过石块等障碍。

（2）钢板桩在淤泥中挤压顶进过程中，钢板桩受不同侧向挤压力影响， 如砂砾或淤泥中未知的障碍物等，易发生变形。 通过以下方法矫正：将钢板桩从偏离位置向上拉1～2m，然后将其锤击，使其可上下往复几次，使大石块和其他未知障碍可以解决。

（3）钢板桩偏离垂直位置过大时，通常使用异形桩来纠正偏差。异形桩的形状上宽下窄，其宽度与标准宽度不同。根据实际倾角可焊接异形桩，斜率也可用倒桩和锤打桩来矫正。

（4）由于粉土地基较软，有时会将相邻的桩引带过来，应采取的措施是将相邻的桩焊接在一起，并在钢板桩的连接闸板上涂上润滑脂和其他润滑剂，以减小阻力。

（5）钢板桩渗漏的防治措施：锁口是发生渗漏概率最大的位置， 因此技术人员要注意对锁口位置的检查。施工开始之前要按规定进行防渗实验。检查钢板桩锁扣位置的锁紧度。 施工完成后发生漏浆现象一般是锁口过紧或过松， 开工前在锁口位置要涂抹上黄油，施工进程中要把握好桩身垂直度，避免锁口受到损坏。 抽完水后，发现钢板桩的锁漏水，但不太严重时，可用碎棉或黏土填塞漏水位置。

5 结语

挑选建筑材料时的选择标准是实用价值、 使用功能、外观造型3个方面，钢板桩满足上述要求，其结构简单，坚固耐用，防水性能好，所以钢板桩在建筑领域应用非常广泛。 整个建筑行业各种情况均有涉猎，无论是民用工程、水利工程甚至地铁行业均有其位置。钢板桩围堰是一项复杂而重要的施工工艺，其工作环节环环相扣， 任何一处细节疏忽均会影响整体，这就要求在施工之前认真学习掌握各个环节，尤其是有关设计计算的环节更要确保其准确性， 这样才能确保工程质量。